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催化型颗粒捕集器辅助再生特性数值模拟研究

催化型颗粒捕集器辅助再生特性数值模拟研究

作者：蔡东天津大学

学位级别：硕士

近几十年来,汽车工业得到了大力发展,汽车保有量逐年增加,但是由此也引发了一系列的环境污染问题,尤其是颗粒物污染给人类身体和生存环境都带来了极大的损害。为此,各国不断实施新的排放法规,测试方法越来越全面,污染物限值也越来越低,... 详细信息

近几十年来,汽车工业得到了大力发展,汽车保有量逐年增加,但是由此也引发了一系列的环境污染问题,尤其是颗粒物污染给人类身体和生存环境都带来了极大的损害。为此,各国不断实施新的排放法规,测试方法越来越全面,污染物限值也越来越低,这给发动机的排放技术提出了更高的要求,而催化型颗粒捕集器(CDPF)作为有效降低颗粒物排放的后处理技术,也得到了广泛的关注。首先,本文通过AVL Fire软件构建CDPF几何模型,对其进行离散化网格处理和网格独立性验证,为模拟计算做好基础,并将模拟运算结果与实验结果对比,最大相对误差不超过3%,验证了模型的准确性和可行性。然后,探讨了0-6 g/L的初始碳载量下非对称结构CDPF的压降变化情况,发现在0-1 g/L时,其压降主要来自于深床捕集层,2-6 g/L时,压降主要来自于滤饼层,所以0 g/L和4 g/L分别作为各自代表性初始碳载量。在此基础上,分析了不同非对称比CDPF的压降组成部分:当非对称比增加时,滤饼层、深床捕集层、壁面以及进口孔道压降都不断减小,但是出口孔道压降有较大提升,并且其所占总压降的百分比在0 g/L和4 g/L时最高分别达到46.66%和41.08%。所以不能根据一部分的压降变化判断CDPF整体压降变化趋势。此外,探究了CDPF的最佳非对称比:当碳载量为0 g/L时,温度小于320℃,最佳非对称比为1.2,而温度大于320℃,最佳非对称比为1.1,当碳载量为4 g/L时,较低温度下(260℃与290℃)最佳非对称比为1.3,中等温度下(320℃与350℃)最佳非对称比为1.2,较高温度下(350℃以上),最佳非对称比为1.1;对于质量流量、O体积分数和NO浓度来说,当碳载量为0 g/L时,最佳非对称比均为1.1,当碳载量为4 g/L时,最佳非对称比均为1.2。最后,对CDPF的再生特性进行了研究。当温度升高时,NO浓度和NO/NOx比值降低,当入口O体积分数和NO浓度增加时,出口处NO浓度和在NOx中的占比均有所提升,在以上研究中NO/NOx比值在29.19%-50.81%之间,且对于出口处NO浓度的影响程度,入口处NO浓度>温度>O体积分数>质量流量。同时,在两种初始碳载量下,当温度、O体积分数和NO浓度增加时,再生率也随之上升,其中温度变化的再生率从58.85%增加到97.38%,变化较为明显。在各种工况参数下,八边形孔道具有最高达95%以上的再生率,六边形次之,但是六边形孔道压降均比非对称四边形孔道低14%左右,而八边形孔道压降比非对称四边形孔道却高6.71%到35.34%不等。因此综合考虑,六边形孔道在NO辅助被动再生中具有较为明显优势。

关键词：催化型颗粒捕集器颗粒物排放再生非对称比孔道形状

柴油机催化型颗粒捕集器缸内后喷再生技术研究

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柴油机催化型颗粒捕集器缸内后喷再生技术研究

作者：徐瑞根合肥工业大学

学位级别：硕士

柴油机氧化转化器(Diesel Oxidation Converter,DOC)和催化型颗粒捕集器(Catalytic Diesel Particular Filter,CDPF)可以有效处理柴油机排放的颗粒物,但如何优化工作效率,降低使用成本,提升能量、空间利用程度以及系统耐久性,成为亟待... 详细信息

柴油机氧化转化器(Diesel Oxidation Converter,DOC)和催化型颗粒捕集器(Catalytic Diesel Particular Filter,CDPF)可以有效处理柴油机排放的颗粒物,但如何优化工作效率,降低使用成本,提升能量、空间利用程度以及系统耐久性,成为亟待解决的问题。本文提出了“热管理+缸内后喷+催化再生”的CDPF主动再生方法,设计了再生过程控制策略,运用AVL FIRE软件研究了DOC、CDPF的工作温度、压降变化、转化效率及温度梯度等问题,并搭建发动机试验台架,对高怠速再生过程进行研究。研究结果表明:DOC入口温度从200℃至300℃,HC转化效率不断升高,到280℃时HC转化效率升至95.41%;CDPF的过滤体在再生开始和中止的过程中温度梯度较高,且随着碳载量的增加,温度梯度升高,为了提高燃油经济性和过滤体材料的耐久性,要将碳载量和再生时间间隔控制在一定范围内,本文将CDPF碳载量设置为3 g/L;通过进气节流等热管理方式及缸内后喷(Post Injection,PI)可以提升尾气排放温度至DOC工作温度,通过缸内次后喷(Late Post Injection,LPI)可以将CDPF的入口温度稳定控制在设定的再生温度;在高怠速再生试验中,随着再生时间、温度的增加,再生效率不断上升,在500℃、20 min条件下,颗粒物再生效率达到98%,载体内部温度较为稳定,峰值约为560℃,出口温度稳定在约480℃,满足应用要求;测量尾气在20050℃范围内、不同位置的NO浓度,得出DOC和CDPF从300℃开始可以将部分NO转化成NO,NO的比例随着温度的升高不断上升,有利于CDPF和SCR中催化反应的进行。

关键词：催化型颗粒捕集器缸内后喷再生仿真

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柴油机催化型颗粒捕集器建模与模拟

汽车实用技术 2013年第11期10卷 25-28页

作者：马荣西南林业大学机械与交通学院云南昆明650224

利用仿真软件创建了柴油机催化型颗粒捕集器的三维模型,包括了压降子模型、再生反应予模型及其相关反应动力学。对该模型的初始条件、边界条件等进行设定,模拟实验条件进行了颗粒捕集器的仿真,同时验证了该模型的准确性。结果表明,该模... 详细信息

利用仿真软件创建了柴油机催化型颗粒捕集器的三维模型,包括了压降子模型、再生反应予模型及其相关反应动力学。对该模型的初始条件、边界条件等进行设定,模拟实验条件进行了颗粒捕集器的仿真,同时验证了该模型的准确性。结果表明,该模型的NO转化率误差最大为7%,压降误差不超过10%。仿真数据与实验数对比误差较小,能够较为准确的表现实验结果。

关键词：催化型颗粒捕集器柴油机仿真被动再生

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柴油机颗粒捕集器尾端面积垢分析及预防措施

内燃机与配件 2018年第3期 32-34页

作者：黄自增时修鹏韩玉峰姚强云南菲尔特环保科技股份有限公司昆明650106 华东理工大学上海201102

采用扫描电镜法(SEM)分析了货运车催化型颗粒捕集器(CDPF)尾端面积垢的微观形貌,并基于X射线荧光光谱分析(XRF)分析积垢的组分及占比,以此推测积垢的形成原因并给出了相应的预防措施。结果表明:CDPF尾端面积垢呈黄色块状,多孔结构,质地... 详细信息

采用扫描电镜法(SEM)分析了货运车催化型颗粒捕集器(CDPF)尾端面积垢的微观形貌,并基于X射线荧光光谱分析(XRF)分析积垢的组分及占比,以此推测积垢的形成原因并给出了相应的预防措施。结果表明:CDPF尾端面积垢呈黄色块状,多孔结构,质地疏松。其主要成分为Fe2O3和SO3,两者占比分别达到50%和40%左右。造成积垢的主要原因是燃料硫含量较高和封装材料易腐蚀。可通过燃用低硫柴油(≤10ppm)和改善封装材料(采用304不锈钢)预防积垢的形成。

关键词：催化型颗粒捕集器积垢形貌组分预防措施

不同CDPF贵金属负载量对柴油公交车VOCs组分排放影响

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环境科学 2017年第12期38卷 4983-4990页

作者：楼狄明张子骏刘继跃谭丕强胡志远同济大学汽车学院上海201804

基于重型底盘测功机,利用质子转移反应质谱(PTR-MS)研究了柴油公交车在中国典型城市公交车循环(CCBC)下,不同CDPF贵金属负载量对尾气中挥发性有机物(VOCs)组分排放特性的影响.结果表明,柴油公交车VOCs主要组分为含氧有机物(OVOCs)、芳... 详细信息

基于重型底盘测功机,利用质子转移反应质谱(PTR-MS)研究了柴油公交车在中国典型城市公交车循环(CCBC)下,不同CDPF贵金属负载量对尾气中挥发性有机物(VOCs)组分排放特性的影响.结果表明,柴油公交车VOCs主要组分为含氧有机物(OVOCs)、芳香烃和烯烃等,且OVOCs占比达50%以上;在贵金属成分、配比相同时,VOCs减排率随CDPF贵金属负载量增加而增加:贵金属负载量为15 g·ft^(-3)(A型后处理装置)、25 g·ft^(-3)(B型)和35 g·ft^(-3)(C型)时,VOCs总量的减排率依次为36.2%、40.1%和41.4%.C型后处理装置对烷烃全循环减排率高达70.2%,且对OVOCs的催化有微弱优势;对于不饱和烃类,3种不同贵金属负载量的后处理装置均有一定催化效果,但无明显差异;A型对含氮有机物减排率可达50.5%,但减排率随贵金属负载量增加而降低.采用DOC+CDPF后能较好地降低公交车VOCs排放量进而降低臭氧生成潜势(OFP).同时考虑不同方案减排效果与成本因素,当加权系数分别为0.8和0.2时,B型为最优方案.

关键词：柴油机 VOCs 氧化型催化器催化型颗粒捕集器贵金属负载量

DOC+CDPF对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响

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中国环境科学 2015年第10期35卷 2978-2984页

作者：谭丕强张晓锋胡志远楼狄明同济大学汽车学院上海201804

以一台满足国五排放法规的车用柴油机为样机,研究加装氧化催化转化器DOC与催化型颗粒捕集器CDPF（DOC＋CDPF后处理装置）前后,柴油机燃用B20燃料（燃料含20%体积掺混比的生物柴油）的颗粒排放特性.结果表明,在未加装该后处理装置时,该... 详细信息

以一台满足国五排放法规的车用柴油机为样机,研究加装氧化催化转化器DOC与催化型颗粒捕集器CDPF（DOC＋CDPF后处理装置）前后,柴油机燃用B20燃料（燃料含20%体积掺混比的生物柴油）的颗粒排放特性.结果表明,在未加装该后处理装置时,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈双峰形态,B20燃料的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在10nm和50nm附近,纯柴油的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在50nm和200nm附近.在颗粒粒径小于120nm的区域,该机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油.加装该后处理装置后,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态,峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近.加装DOC＋CDPF后,不论是柴油还是B20燃料,与原机相比,柴油机排气颗粒总数量下降明显,其中60～200nm粒径范围的颗粒数量浓度降幅更为显著.在相同工况下,DOC＋CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量净化效率高于纯柴油.

关键词：柴油机生物柴油颗粒氧化催化转化器催化型颗粒捕集器

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进气充量特征参数对CPF再生过程的影响

车用发动机 2016年第2期 58-65,70页

作者：沈颖刚杨杰陈贵升陈朝辉彭劲松昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明650500 云内动力股份有限公司云南昆明650217

利用AVL BOOST,FIRE软件分别构建了D19高压共轨柴油机的一维仿真模型和催化型颗粒捕集器(CPF)三维模型,研究了不同进气特征参数对CPF再生过程的影响规律。计算结果表明:随大气氧浓度减小,CPF沉积颗粒的氧化速率和压降的下降速率都显著减... 详细信息

利用AVL BOOST,FIRE软件分别构建了D19高压共轨柴油机的一维仿真模型和催化型颗粒捕集器(CPF)三维模型,研究了不同进气特征参数对CPF再生过程的影响规律。计算结果表明:随大气氧浓度减小,CPF沉积颗粒的氧化速率和压降的下降速率都显著减缓,其进、出口两端的NOx及NO2排放降低;海拔升高不利于CPF的再生,但CPF压降和再生最高温度较低,且能有效减少CPF出口端的NO2排放;海拔对CPF再生过程的影响是大气氧浓度与大气压力的综合效应,其中大气氧浓度占主导作用;针对海拔2km高原环境,EGR率增大至15%时,CPF再生性能已明显减弱,高原环境下采用EGR进一步加剧CPF的再生困难;EGR率对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用。

关键词：进气特征参数催化型颗粒捕集器再生颗粒排放

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DOC+CDPF连续再生性能的试验研究

车用发动机 2022年第5期 8-14页

作者：李鉴松孟忠伟罗林吴泉成晋兆祥佘占蛟南充职业技术学院机电工程系四川南充637131 西华大学汽车与交通学院四川成都610039 康明斯(中国)投资有限公司北京100102

基于柴油机台架,通过改变来流温度,探索再生温度对DOC+CDPF后处理系统连续再生速率、温度场分布和气体排放等影响的规律。试验结果表明:CDPF滤饼层捕集阶段,随着颗粒物的沉积,单位沉积质量的压降变化速率增幅约为69.8%。CDPF再生过程中... 详细信息

基于柴油机台架,通过改变来流温度,探索再生温度对DOC+CDPF后处理系统连续再生速率、温度场分布和气体排放等影响的规律。试验结果表明:CDPF滤饼层捕集阶段,随着颗粒物的沉积,单位沉积质量的压降变化速率增幅约为69.8%。CDPF再生过程中,颗粒物的氧化主要集中在载体的前半部分,再生温度升高,NO_(2)消耗量增加,再生速率加快,载体出口NO_(x)总量略有下降,CO和THC下降幅度分别为99%和80%~90%。此外,再生时CDPF中心的轴向温度由前向后先上升后下降,载体边缘的轴向温度由前向后不断上升,再生温度越高,轴向温度梯度越大;径向温度由中心向边缘不断减小,且距离载体入口的距离越小,再生温度越高,径向温度梯度越大。

关键词：柴油机氧化型催化转换器催化型颗粒捕集器连续再生温度场排放

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重型柴油机CDPF被动再生研究

重型柴油机CDPF被动再生研究

作者：杨波燕山大学

学位级别：硕士

随着重型柴油机排放法规的要求越来越严格,催化型柴油颗粒捕集器(Catalytic Diesel Particulate Filter,CDPF)成为重型柴油机后处理系统中不可缺少的部件,被动再生是CDPF再生过程中一种重要的实现方式。本文采用发动机台架试验、基于AVL... 详细信息

随着重型柴油机排放法规的要求越来越严格,催化型柴油颗粒捕集器(Catalytic Diesel Particulate Filter,CDPF)成为重型柴油机后处理系统中不可缺少的部件,被动再生是CDPF再生过程中一种重要的实现方式。本文采用发动机台架试验、基于AVL BOOST的一维被动再生模型和基于Arrhenius方程的零维被动再生模型三种方法,对被动再生进行研究。通过发动机台架和灰分快速加载装置进行试验,并基于BOOST的模型进行模拟,研究了被动再生影响因素和再生过程。结果表明,随着初始碳载量的增加,床温的升高,NO浓度的增加,被动再生碳烟氧化速率也增加;含灰量和排气流量对碳烟氧化速率基本没有影响;被动再生过程中压差变化分为快速下降、急速下降和缓慢下降三个阶段,灰分的存在会占据深层过滤的碳烟位置,导致被动再生过程压差变化减缓,三个阶段的区别减弱甚至消失。采用基于Arrhenius方程的模型方法,建立了被动再生平衡曲线,发现CDPF初始碳载量一定时,在平衡状态下,NO与碳烟的比排放之比和CDPF床温的关系为trade-off关系;当CDPF初始碳载量增加时,被动再生平衡曲线会向CDPF床温降低和NO与碳烟的比排放比降低的方向移动。确定了发动机部分被动再生适用工况,在此基础上提出了基于碳载量预测模型、发动机被动再生MAP图和发动机排温管理的被动再生控制策略简单构想。本文对CDPF被动再生的研究,可以为CDPF再生控制策略及欧VI后处理系统开发提供一定的指导意义。

关键词：柴油机催化型颗粒捕集器被动再生 BOOST Arrhenius方程